پیش از آن‌که این همه جار و جنجال در موری پوشش‌های نامرئی‌کننده به راه بیفتد، فرامواد که مسئولیت این نامرئی شدن را بر عهده دارند، قرار بود که برای تولید عدسیهای فوق پیشرفته استفاده شود. جف برومفایل، گزارشگر ارشد نشریه نیچر در مورد چالش‌های این پدیده ممتاز عرصه فناوری بصری بحث می‌کند.
پروفسور جان پندری، استاد فیزیک نظری، در حالی که پشت میز کارش در دانشگاه امپریال کالج لندن نشسته، به ما می‌گوید: «فرض کنید که حد نهایت بنیادی برای جزئیات میز، در ابعاد یک اتم باشد. حال در نظر بگیرید که کوچک‌ترین ساختاری که انسان می‌تواند با چشم خود ببیند، حتی اگر از میکروسکوپ‌های نوری با قدرت و کیفیت بالا استفاده کند، در حدود چند ده میکرومتر (هر میکرومتر، یک میلیونیوم متر است) یا نزدیک به این مقدار باشد که تقریبا هزار بار از یک اتم بزرگ‌تر است. این بدین معنی است که حتی با قدرت دید 20 از 20 و با وجود نور کافی، انسان تنها می‌تواند یک هزارم درصد از اطلاعاتی را که در مقابل چشمانش است، ببیند. این مقدار زیادی نیست!»
نزدیک یک دهه قبل، پندری راهی را می‌جست تا بتواند قدرت فیلم نقره را تا هزار برابر بهبود بخشد. او قصد داشت با کاهش ضخامت واحدهای ثبت نور فیلم تا 10 نانومتر، عدسیهای فعلی را به یک ابرعدسی (سوپر لنز) تبدیل کند. این فیلم می‌توانست مانند یک فراماده ساده عمل کند، ماده‌ای با ساختار کوچک که به نور اجازه می‌داد در مسیری که هیچ ترکیب مادی نمی‌توانست حرکت داشته باشد، قرار بگیرد. این به این معنا بود که فیلم نقره می‌توانست جزئیاتی را که در میکروسکوپ‌های نوری معمولی هرگز دیده نمی‌شوند، آشکار کند.
ابرعدسی‌ها در تئوری می‌توانند ساختارهای نانومتری را روی سطح ترسیم کنند و این قابلیت در تولید ریزتراشه‌ها کاربرد دارد. ایده پندری، پژوهشگران زیادی را به کار روی این زمینه جلب کرد و تا مدتی فقط انتظارات فراوانی از این ایده وجود داشت. اما 9 سال قبل، این انتظارات بالاخره به طور کامل محقق شد. هر چند اثبات تئوری‌های دستگاهی، برای تولید ابرعدسی‌ها و فراعدسیها (فراعدسیها) انجام شده بود، ولی در عمل، تمام تمرکز این صنعت به جاهای دیگری معطوف شد؛ چراکه کاربرد عمده و برجسته دیگری پیدا شده بود: دستگاه‌های نامرئی‌کننده.
نامریی کردن اشیاء، توجه افکار عمومی را به خود جلب کرد، اما ژیانگ‌ژنگ، یکی از پژوهشگرانی که خود در این زمینه کار می‌کند، ، اعتقاد دارد که ابرعدسی‌ها به عنوان ایده‌ای هیجان‌انگیز که از ابرمواد حاصل شده‌اند، باقی مانده است: «من فکر می‌کنم ابرعدسی‌ها می‌توانند کاربردهای خیلی بیشتری از نامریی‌کردن اجسام داشته باشند».
ژیانگ ژنگ که در دانشگاه برکلی کالیفرنیا کار می‌کند ، در فروردین‌ماه سال جاری، در صدر اخبار مربوط به استفاده از ابرمواد در تولید فناوری نامریی‌کننده‌ها قرار داشت. کلید اصلی به ساختار فرامواد بر می‌گردد که خواص نوری این اجسام را تحت تاثیر قرار می‌دهد. ترکیب یک ماده معمولی مانند شیشه برای طول‌موج‌های نوری یکنواخت است، اما ساختار فرامواد دارای الگوهایی ساختاری در ابعاد طول‌موج‌ها است. وقتی نوری با یک طول‌موج خاص درون الگویی خاص برهمکنش می‌کند، تشدید ایجاد می‌شود؛ درست همانند آن‌که یک آوای موسیقی درون یک جسم، لرزشی ایجاد کند. این تشدید، پرتوهای نور را مجبور می‌کند تا در یک جهت اشتباه منحرف شوند و خواص معینی ایجاد شود.
کار ابتدایی پندری روی ابرمواد به این امید بود که مساله‌ای به نام حد پراش را تحت تاثیر قراردهد. وجود حد پراش توضیح می‌دهد که دستگاه‌های نوری معمولی مانند تلسکوپ‌ها و میکروسکوپ‌ها، علت اصلی سردرگمی‌ها و نقاط تاریک در مشکلات بنیادی هستند. بدون بحث راجع به ساختار و کیفیت ساخت دستگاه‌های نوری رایج و معمولی، باید پذیرفت که قدرت این دستگاه‌ها برای آشکار کردن جزئیات مطلوب، به طول‌موج استفاده شده در آنها بستگی دارد. در میکروسکوپ‌های نوری، این بدین مفهوم است که هر تلاشی برای آشکار کردن ساختارهای ریزتر از 200 نانومتر (هر نانومتر، یک میلیاردیم متر است) محکوم به شکست است. اما پندری یک استثناء کشف کرد: حد پراش برای فرامواد وجود ندارد.
هرچند نقره یک ابرماده ایده‌آل نیست ، امّا پندری نشان داد نقره می‌تواند عدسی مناسبی باشد. اگر فیلم نقره به اندازه کافی نزدیک شیء نورانی قرار بگیرد، می‌تواند امواج با طول‌عمر اندک را به دام بیاندازد. امواج با طول‌عمر پایین، محدوده کوچک‌تری از میدان‌های الکترومغناطیسی هستند که می‌توانند کوچک‌ترین اطلاعات پراش‌های جزیی را در مورد اشیاء بدست دهند؛ اما نمی‌توانند اطلاعات موجود در فواصل بالاتر از 10 نانومتر از سطح اشیاء را آشکار کنند. تشدید فیلم نقره می‌تواند این امواج ناپایدار را تقویت کند و اطلاعات آنها را برای تولید تصاویری با جزئیات بیشتر استفاده کند.
فرصت‌های جدید
ریچارد بلیکی، یک مهندس برق در دانشگاه کانتربری نیوزلند، به شدت تحت تاثیر مفهوم ابرعدسی قرارگرفت. او فکرکرد که یک ابرعدسی می‌تواند به سازندگان تراشه‌ها کمک کند تا تراشه‌های جدیدتر و قدرتمندتری با ابعاد زیر حد پراش بسازند. اما تئوری بلیکی در آزمایشگاه شکست خورد. او می‌گوید: «خیلی ساده است که چیزی شبیه‌سازی شود، ولی تجربه کردن آن دشوار است».
بلیکی در سال 1384 / 2005 یک نمونه ابرعدسی ساخت که می‌توانست اطلاعات زیر حد پراش را دریافت کند؛ اما چون امواج ناپایدار در بالاتر از فواصل کوتاه ناپدید می‌شدند، می‌بایست فیلم نقره را برای اشیایی که می‌خواست تصویر آن را داشته باشند، تنظیم می‌کرد. به عبارت دیگر، هر چیزی که به عنوان تصویر ذخیره می‌شد، در طرف دیگر فیلم هم می‌بایست اثر محکمی از خود برجا می‌گذاشت. به همین دلیل است که بلیکی می‌گوید: «هرچند تصاویری که ما بدست می‌آوریم، تفکیک و وضوح مناسبی دارند؛ اما خیلی شبیه منبع خود نیستند. اما تنها چند نانومتر تغییر در سطح نقره، نقاط داغی را ایجاد کرد که باعث شد خطوط صاف به صورت دندانه‌دار و ناهموار روی سطح ظاهر شوند. گروه ما هنوز در گیر دنبال کردن این قضیه است. البته شما هنوز هم چیزی نمی‌توانید ببینید، چون ما موفق نشدیم».
فوق فعالیت
در سال 1385 / 2006، دو گروه فیزیک نظری به طور جداگانه و در واکنش به محدودیت‌های آزمایشگاهی موجود، ابرعدسی‌ها را پیشرفت دادند. آنها به جای یک فیلم تکی در ساختارهای فراعدسی، از لایه‌های مختلف یک فلز و یک عایق استفاده کردند. لایه‌ها نیم‌استوانه‌ای را تشکیل می‌دادند که جسم مورد نظر در مرکز آن قرار می‌گرفت و امواج ناپایداری که روی آن حرکت داده می‌شد، توسط عدسی شکار می‌شد. همین‌طور که این امواج از روی لایه‌های مختلف فلز عبور می‌کردند، تقویت می‌شدند و همانند نوری که آزادانه می‌تابد، از سطح آن خارج می‌شدند.
فراعدسی به‌مراتب پیچیده‌تر از یک ابرعدسی است، اما مزیت فوق‌العاده‌ای نسبت به آن دارد، این‌که می‌تواند نور خروجی از سطحش را به نورهای مریی تبدیل کند. نادر انقطاع، نظریه‌پرداز در دانشگاه پنسیلوانیا و یکی از ایده‌پردازان اصلی این ماجرا می‌گوید: «امیدوارم که این فراعدسیها بتوانند دستگاهی انقلابی باشند».
بدین‌ترتیب، پژوهشگران موفق شدند هم فراعدسی بسازند و هم در گام‌های اولیه پیروز شوند. کمتر از یک سال بعد از مطرح شدن ایده فراعدسی، دو گروه موفق شدند مفهوم فراعدسی را اثبات کنند که مشکل تفکیک تصاویر را در دستگاه‌های نوری معمولی برطرف می‌کرد. اما این بار نیز مشابه ماجرای ابرعدسی‌ها، مشکلاتی در جزییات وجود داشت. ایگور اسلولیانینوف از دانشگاه مری‌لند کالج پارک که از سازندگان فراعدسیها به‌شمار می رود، مشکل را چنین تشریح می‌کند: «اصول اولیه درست هستند، اما مشکلات مهندسی کار را محدود می‌کنند».
برای مثال، فراعدسی اسلولیانینوف فقط در یک بعد کار می‌کند. فرآیند ساخت عدسی دو بعدی بسیار پیچیده‌تر است. مشکل مهم‌تر این است که وجود نقص در سطح مشترک بین هر لایه فلز-عایق، نور را تصادفی پراکنده می‌کند. روند پیشرفت در تولید عدسیهای بهتر، اکنون به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش یافته، هرچند بخشی از این کاهش مربوط به ایده دستگاه‌های هیجان‌انگیز نامرئی‌کننده است.
پندری به عنوان اولین ایده دهنده، در سال 1385 / 2006 نشان داد که ابرمواد قادر به خم کردن نور در اطراف جسم هستند که به طور مؤثری باعث نامرئی شدن جسم می‌شود. بسیاری از پژوهشگران هم‌اکنون روی پیشرفت فرامواد نانوساختار که برای این کار مناسبند، تمرکز کرده‌اند. به همین دلیل برخی از دانشمندان معتقدند برای همین مقاصد ، سرمایه‌گذاری در زمینه ابرعدسی‌ها و فراعدسیها باید آغاز شود.
اما برای رسیدن به دو هدف تصویربرداری وحک کردن تصاویر، عدسی‌ها باید وارد بازار شوند و با فناوری زیر پراش که هم‌اکنون در حال پیشرفت فراوانی است، رقابت کنند. پژوهشگرانی که در زمینه نیمهرساناها تحقیق می‌کنند، می‌توانند از ابزارهای غیرخطی استفاده کنند که توانایی نوشتن و حک کردن را بدون محدودیت پراکندگی دارند.
برای تصویربرداری زیست‌شناسی، روش‌های پیشرفته‌تری ایجاد شده تا محدودیت‌های پراکندگی را با استفاده از ترکیب پروتئین‌های فلئورسان و دستگاه‌های نوری هوشمند از بین ببرند. شاید به همین دلایل ، زیست‌شناسان علاقه چندانی به ابرعدسی‌ها نشان نداده‌اند. این عقیده نیکلاس فنگ، محقق دانشگاه ایلی نویز است؛ هرچند که او نیز همراه با بسیاری دیگر، به ایده ابرعدسی امیدوار است.
اگر این ابرعدسی‌ها به کار گرفته شوند، می‌توانند تصاویری پرکیفیت و با جزئیات فراوان از گونه‌های زنده تهیه کنند. فنگ می‌گوید: «هنوز زمینه‌های تحقیقاتی فراوانی وجود دارد که ما از ابتدا با آنها مشکل داریم». اما او نیز به این مطلب واقف است که با وجود فناوری‌های جدید، نباید چنین مشکلاتی وجود داشته باشند. شاید ابرعدسی‌ها در تئوری خوب باشند، اما در عمل مشکلات فراوانی دارند که بیشتر آنها مهندسی است.
به همین منظور، فنگ اعتقاد دارد که باید برای جلب نظر کارشناسان بخش صنعت بیشتر تلاش کند. برای مثال او از ژرمانیم صنعتی برای لایه‌نشانی اتمی روی سطح فیلم‌های نقره استفاده می‌کند که این کار، انحراف دیده‌شده توسط بلیکی را کاهش می‌دهد. گروه‌های دیگری نیز به کاربردی‌تر کردن فراعدسیها مشغولند و برای این منظور، از صنعت نیمهرساناها کمک می‌گیرند.
در اواخر فروردین‌ماه، استفان منداخ وهمکارانش از دانشگاه هامبورگ آلمان، یک فراعدسی را با استفاده از لایه‌های مختلف نیمه‌رسانا ایجاد کردند. این روش که به نظر ساده‌تر می‌رسد، نیازمند استفاده از لایه‌های بیشتری برای کارکرد بهتر است. ولادیمیر شالیو از دانشگاه پردو در ایالت ایندیانای آمریکا درتلاش است که فراعدسی‌های مسطح بسازد. هرچند این کار خیلی سخت‌تر است، اما لایه‌های مجزا که تا به حال نمی‌توانستند به شکل یکنواخت درآیند، هم‌اکنون می‌توانند ساده‌تر به کار گرفته شوند. در این نوع فراعدسی لازم نیست که لایه‌ها در طول یک محور استوانه‌ای واقع شوند و از این‌رو، ژانگ مفهوم ساده‌تر اما مرتبطی را که گمان می‌کند تحولی در ذخیره‌سازی اطلاعات باشد، دنبال می‌کند.
به جز استفاده از یک تک ابرعدسی، او از عدسیهای فراوان پلاسمونیک بهره می‌برد که امواج ناپایدار را متمرکز می‌کند. وقتی نور معمولی به عدسی برخورد می‌کند، با الکترون‌های روی سطح لنز برخورد می‌کند که باعث متمرکز شدن امواج ناپایدار روی یک نقطه می‌شود. این پدیده منجر به تولید نقاط داغ زیر پراش می‌شود که می‌توانند برای نوشتن اطلاعاتی روی سطح یک دیسک نوری به‌کار رود. ژانگ با این کار، آرایه‌ای پلاسمونیک از عدسی‌ها را که می‌تواند فارغ از محدودیت پراش، اطلاعات را بنویسد، تولید کرده است.
اما برای آگاهی از سرانجام این ماجرا باید دوباره به پشت میز پندری باز گردیم، جایی که او با آرامش خاص فیزیک‌دانان نظری، منتظر انقلابی است که خود به‌راه انداخته است. قبل از این‌که او مفهوم ابرعدسی‌ها را مطرح کند، سال های زیادی را برای محاسبه نیروهای کوانتومی بین دو قطعه شیشه که با سرعت نور از کنار یکدیگر عبور می‌کردند، صرف کرده بود؛ صرفا به‌این دلیل که بسیار جذاب بود. اما درمقایسه با کارهای اولیه‌اش در می‌یابیم که عدسیهای مطلوب‌تر نظری، اکنون کاربردی شده‌اند. پندری می‌گوید : «این فناوری بسیار بسیار ساده‌ای است. سوال اینجاست که چگونه به آن دست پیدا کنیم؟»
نشریه نیچر، شماره 7246 - ترجمه: مریم عظیم‌زاده
نظر شما